DE3400932A1 - METHOD FOR PRODUCING SOLID CATHODES - Google Patents

METHOD FOR PRODUCING SOLID CATHODES

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DE3400932A1 DE19843400932 DE3400932A DE3400932A1 DE 3400932 A1 DE3400932 A1 DE 3400932A1 DE 19843400932 DE19843400932 DE 19843400932 DE 3400932 A DE3400932 A DE 3400932A DE 3400932 A1 DE3400932 A1 DE 3400932A1
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Description

Verfahren jzSur Herstellung von FestkörperkathodenProcess jzSur manufacture of solid-state cathodes

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Festkörperkathoden für eine Schmelzflüsselektrolysezelle zur Herstellung von Aluminium, wobei mindestens die Arbeitsflächen durch das abgeschiedene Metall benetzbar sind.The invention relates to a method for the production of solid-state cathodes for a melt-flow electrolysis cell for the production of aluminum, at least the work surfaces being wettable by the deposited metal are.

Für die Gewinnung von Aluminium durch Elektrolyse von Aluminiumoxid wird dieses in einer Fluoridschmelze gelöst, die zum grössten Teil aus Kryolith besteht. Das kathodisch abgeschiedene Aluminium sammelt sich unter der Fluoridschmelze auf dem Kohleboden der Zelle, wobei die Oberfläche des flüssigen Aluminiums oder ein von diesem benetzbarer Festkörper die Kathode bildet. Am Anodenbalken befestigte, bei konventionellen Verfahren aus amorphem Kohlenstoff bestehende Anoden tauchen von oben in den Elektrolyten ein. An den Anoden entsteht durch die elektrolytische Zersetzung des Aluminiumoxids Sauerstoff, der sich bei Kohleanoden zu CO2 und CO verbindet. Die Elektrolyse findet im allgemeinen in einem Temperaturbereich zwischen 940 und 9700C statt.For the production of aluminum by electrolysis of aluminum oxide, this is dissolved in a fluoride melt, which for the most part consists of cryolite. The cathodically deposited aluminum collects under the fluoride melt on the carbon base of the cell, with the surface of the liquid aluminum or a solid body that can be wetted by this forming the cathode. Anodes, which are attached to the anode bar and are made of amorphous carbon in conventional processes, are immersed in the electrolyte from above. At the anodes, the electrolytic decomposition of aluminum oxide creates oxygen, which in carbon anodes combines to form CO2 and CO. The electrolysis generally takes place in a temperature range between 940 and 970 ° C.

Es ist bekannt, dass bei grossen Stromstärken das Zusammenwirken von vertikalen Komponenten des Magnetfeldes mit horizontalen Komponenten des Stromes zu unerwünschten Deformationen der Oberfläche des einige Zentimeter hohen Metallbades und zu unerwünscht starken Metallströmungen führen kann. Bei kleinen Interpolardistanzen können diese unerwünschten Deformationen so gross werden, dass das Aluminium die Anoden berührt und zu Kurzschlüssen führt.It is known that with large currents the interaction from vertical components of the magnetic field with horizontal components of the current to undesirable deformations the surface of the metal bath, which is a few centimeters high, and lead to undesirably strong metal currents can. With small interpolar distances, these undesirable deformations can become so large that the aluminum touches the anodes and causes short circuits.

Weiter führt die erzeugte Metallströmung an der Oberfläche zu einer vermehrten chemischen Auflösung oder zu feiner Dispergierung des Aluminiums im Schmelzfluss, was wegen Rückoxidation bekanntlich eine verminderte Stromausbeute zur Folge hat.The generated metal flow continues on the surface to an increased chemical dissolution or too fine dispersion of the aluminum in the melt flow, which is because of Reoxidation is known to result in a reduced current yield.

Eine sich im Prinzip vorteilhaft auswirkende geringere Stromdichte würde in untragbarem Masse erhöhte Kapitalkosten für Elektrolysezellen und Halle erforderlich machen.A lower current density, which in principle has an advantageous effect, would increase the cost of capital to an unacceptable extent for electrolysis cells and hall.

Seit einiger Zeit sind von flüssigem Aluminium benetzbare Kathoden bekannt, die eine wesentlich geringere Interpolardistanz erlauben. Das abgeschiedene Aluminium bildet auf diesen Festkörperkathoden einen kontinuierlich abfliessenden Film. Nach einer Weiterentwicklung ragen pro Anodengrundriss mehrere in Abstand angeordnete Festkörperkathoden mit verhältnismässig kleiner Arbeitsfläche aus dem Aluminiumsumpf heraus. Die eingesetzten Festkörperkathoden bestehen meist aus Titandiborid, einem sehr teuren Material. Deshalb hat sich bisher ein Einsatz in industriellem Rahmen nicht durchsetzen können.For some time, cathodes that can be wetted from liquid aluminum and have a significantly shorter interpolar distance have been known allow. The deposited aluminum forms a continuously draining one on these solid-state cathodes Movie. According to a further development, several solid-state cathodes arranged at a distance protrude per anode layout with a relatively small work surface out of the aluminum sump. The solid-state cathodes used exist mostly made of titanium diboride, a very expensive material. This is why it has been used in an industrial setting so far can not enforce.

Die hohen Kosten von Kathoden aus reinem Titandiborid entstehen durch die folgenden drei Verfahrensschritte:
25
The high costs of cathodes made from pure titanium diboride arise from the following three process steps:
25th

- Titandiborid wird bei hoher Temperatur karbothermisch oder nach dem Plasmaverfahren hergestellt- Titanium diboride is produced at high temperatures by carbothermal or plasma processes

- für die Pulveraufbereitung ist eine Feinstmahlung erforderlich- Fine grinding is required for powder preparation

- Formgebung und Sintern bewirken aufgrund der notwendigen Grünkörperherstellung sowie einer schwierigen Ofenführung beim Sintern eine hohe Ausschussrate; Energie und Kapitalkosten sind hoch.- Shaping and sintering effect due to the necessary Green body production as well as a difficult furnace management during sintering a high reject rate; energy and capital costs are high.

Im Prinzip kann eine Verbilligung der hohen Materialkosten für Titandiborid auf zwei Wegen erreicht werden:In principle, the high material costs for titanium diboride can be reduced in two ways:

- Titandiborid wird als Beschichtung auf ein billigeres Substrat aufgebracht, und/oder- Titanium diboride is applied as a coating to a cheaper substrate, and / or

- das Titandiborid wird mit einem billigeren Material höchstens derart verdünnt, dass die Kathode insgesamt noch benetzbar und gut elektrisch leitend ist.- the titanium diboride is made with a cheaper material at most thinned in such a way that the cathode as a whole is still wettable and has good electrical conductivity.

In der DE-OS 2 305 281 wird eine Kathode oder ein Kathodenelement für die Schmelzflusselektrolyse zur Herstellung von Aluminium beschrieben, welche auf einer Fläche eine Schicht aus einem binären System aus feuerfestem Material und einem geringen Anteil an Kohlenstoff hat, welches System aus einem Eutektikum von feuerfestem Hartmetall und Kohlenstoff entstanden is.t. Als Ausgangsstoff wird jedoch unter anderem das sehr teure Titandiborid eingesetzt, was dem wirtschaftlichen Einsatz der Kathodenelemente Grenzen setzt.In DE-OS 2 305 281 a cathode or a cathode element for the fused-salt electrolysis for the production of Aluminum described, which on a surface a layer of a binary system of refractory material and a has a low proportion of carbon, which system was created from a eutectic of refractory hard metal and carbon is. However, among other things, the very expensive titanium diboride is used as the starting material, which makes it economical Use of cathode elements sets limits.

In den US-PS 3 661 7 36 und 4 308 114 wird eine Festkörperkathode für die Schmelzflusselektrolyse von Aluminium offenbart, die aus einem Verbundmaterial besteht. Refraktäre Körner aus einem von Aluminium benetzbaren Material werden in eine Kohlenstoffmatrix eingebettet. Zur Herstellung des Verbundmaterials wird nach der erstgenannten PatentschriftIn U.S. Patents 3,661,736 and 4,308,114, a solid state cathode is used for the fused salt electrolysis of aluminum, which consists of a composite material. Refractory Grains made of a material that can be wetted by aluminum are embedded in a carbon matrix. To manufacture the Composite material is according to the first-mentioned patent

-Sr--Sr-

feines Kohlenstoffpulver mit körnigem Titandiborid vermischt und mit einem geeigneten thermischen Verfahren behandelt, nach der zweitgenannten Patentschrift körniges Titandiborid in Teer und Pech eingemischt. Derartige Kathoden aus Verbundmaterial haben eine sehr viel niedrigere Beständigkeit als reine Titandiboridkathoden, weil die Kohlenstoffmatrix mit dem Schmelzfluss in Berührung tritt.fine carbon powder mixed with granular titanium diboride and treated with a suitable thermal process, according to the second-mentioned patent specification, granular titanium diboride mixed in tar and pitch. Such composite cathodes have a much lower durability than pure titanium diboride cathodes, because the carbon matrix comes into contact with the melt flow.

Weiter wird in der WO 82/01 018 eine Kathode aus einem Titandiborid/Graphitverbundwerkstoff beschrieben, der stets einen hohen Kohleanteil hat. Aufgrund des in dieser Veröffentlichung genannten niedrigen TiB2~Gehaltes kann der Fachmann schliessen, dass hier ein Titandiborid/Kohlenstoff-Eutektikum entweder gar nicht enthalten ist oder sich möglicherweise als Dispersion innerhalb einer Kohlenstoffmatrix befindet. Offensichtlich ist ein Nachimprägnieren des porösen Verbundkörpers notwendig, um eine ausreichende mechanische Festigkeit zu erzielen.Furthermore, WO 82/01 018 describes a cathode made from a titanium diboride / graphite composite material described, which always has a high proportion of coal. Due to the in this publication The person skilled in the art can conclude that this is a titanium diboride / carbon eutectic either not contained at all or possibly as a dispersion within a carbon matrix is located. Obviously, a subsequent impregnation of the porous composite body is necessary in order to achieve a sufficient to achieve mechanical strength.

Die Erfinder haben sich die Aufgabe gestellt, ein Verfahren zur Herstellung von benetzbaren Festkörperkathoden für Schmelzflusselektrolysezellen zur Gewinnung von Aluminium zu schaffen, das bei gleichbleibend guter Qualität zu wesentlich kostengünstigeren Produkten führt.The inventors set themselves the task of developing a process for the production of wettable solid-state cathodes for To create fused-salt electrolysis cells for the production of aluminum, which is too essential while maintaining good quality cheaper products.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäss dadurch gelöst, dass titan- und borhaltige pulverförmige Ausgangsstoffe mit pulverförmigem Kohlenstoff innig gemischt werden, wobei die Summe aus diesem und dem allenfalls einem Substrat entzogenen Kohlenstoff in bezug auf das aus den titan- und borhaltigen Ausgangsstoffen zu bildende Titandiborid überstöchio-The object is achieved according to the invention in that titanium and boron-containing powdery starting materials with powdery Carbon are intimately mixed, the sum of this and that possibly withdrawn from a substrate Carbon in relation to the titanium diboride to be formed from the titanium and boron-containing starting materials

metrisch ist, die Mischung unter neutraler oder reduzierender Atmosphäre auf eine zwischen 1600 und 22Ö0°C liegende Temperatur erhitzt und während 5 bis 45 min auf dieser Temperatur belassen werden, dann das von Poren und Kanälen durchsetzte Reaktionsprodukt auf 2250 bis 26000C erhitzt und während 10 bis 60 min zur Bildung eines kompakten Titandiborid/Kohlenstoff-Eutektikums auf dieser Temperatur belassen und abschliessend auf Raumtemperatur abgekühlt wird.is metric, the mixture under a neutral or reducing atmosphere heated to a temperature between 1600 and 22Ö0 ° C temperature and left at this temperature for 5 to 45 then the run up of pores and channels reaction product at 2250 rpm, to 2600 0 C. and while Leave at this temperature for 10 to 60 min to form a compact titanium diboride / carbon eutectic and then cool to room temperature.

Das Titandiborid/Kohlenstoffeutektikum ist während des zweiten Reaktionsschritts, dem Erhitzen auf 2250 ~ 26000C, . eine geschmolzene Phase. Dieses Eutektikum kann sowohl als Schicht auf einem Substrat als auch als Formkörper hergestellt werden.The titanium diboride / carbon eutectic is during the second reaction step, heating to 2250 ~ 2600 0 C,. a molten phase. This eutectic can be produced both as a layer on a substrate and as a shaped body.

Mit Hilfe des erfindungsgemässen zweistufigen Verfahrens können gegenüber der standardmässig angewandten Titandiboridherstellung folgende Einsparungen gemacht werden: 20With the aid of the two-stage process according to the invention compared to the standard production of titanium diboride the following savings can be made: 20

- Die gesamte Pulveraufbereitung, bestehend aus der chemischen Adjustierung (Hochtemperaturschritt) und Feinstmahlung fällt weg.- The entire powder preparation, consisting of the chemical adjustment (high temperature step) and Fine grinding is no longer necessary.

- Die erschmolzene Masse muss nach dem Sintern nur noch zurecht gesägt werden, somit entfällt die aufwendige Formgebung der Grünkörper. Im Falle von Schichten entfällt auch das Sägen, da die Substrate bereits die gewünschte Form haben.- The melted mass only has to be sawn to size after sintering, thus eliminating the time-consuming process Shaping the green body. In the case of layers, there is also no need to saw, since the substrates are already the desired Have shape.

- Die sonst notwendigen Hochtemperaturschritte (Karbothermie und Sintern) werden durch einen einzigen Hochtemperaturprozess ersetzt, bei dem die Umsetzung der Ausgangsstoffe zum T1B2 und die darauffolgende Schmelzebildung ohne dazwischenliegende Abkühlung, in derselben Vorrichtung, stattfindet.- The otherwise necessary high-temperature steps (carbothermia and sintering) are carried out by a single high-temperature process replaced, in which the conversion of the starting materials to T1B2 and the subsequent melt formation without intermediate cooling, takes place in the same device.

Der erste Verfahrensschritt, auch Karbothermie genannt, findet vorzugsweise bei einer Reaktionstemperatur zwischen 2000 und 2200"C statt. Die beim nachfolgenden zweiten Verfahrensschritt, der Schmelzebildung bzw. Bildung des Titandiborid/Kohlenstoff-Eutektikums, gebildete Substanz besteht aus innig miteinander vermischten Titandiborid- und Kohlenstoffanteilen, hat einen dunklen metallischen Glanz und enthält ca. 8 Gew.-% Kohlenstoff. Im eutektischen Gefüge können auch geringe Anteile von TiC und B4C vorhanden sein.The first process step, also called carbothermal energy, preferably takes place at a reaction temperature between 2000 and 2200 "C. The substance formed in the subsequent second process step, the melt formation or formation of the titanium diboride / carbon eutectic, consists of intimately mixed titanium diboride and carbon components , has a dark metallic luster and contains approx. 8% by weight of carbon. Small amounts of TiC and B 4 C can also be present in the eutectic structure.

Zur Durchführung des Verfahrens sind insbesondere Lichtbogen- oder Induktionsöfen geeignet, in welchen beide Verfahrensschritte ohne dazwischenliegendes Abkühlen durchgeführt werden können. Je nach dem Typ des eingesetzten Ofens kann das erschmolzene Eutektikum auch in bekannter Weise vergossen werden, z.B. durch Abstechen oder Kippen.Arc or induction furnaces in which both process steps are suitable are particularly suitable for carrying out the process can be carried out without intermediate cooling. Depending on the type of furnace used, the melted eutectic can also be poured in a known manner, e.g. by tapping or tilting.

Der erste Verfahrensschritt wird in bezug auf die Qualität der erzeugten Kathoden und deren Herstellungskosten vorzugsweise mit folgenden Edukten durchgeführt:The first process step is related to quality of the cathodes produced and their production costs are preferably carried out with the following starting materials:

Ή(>2 + B2O3 + 5C ^ T1B2 + 5CO ( 1)Ή (> 2 + B2O3 + 5C ^ T1B2 + 5CO (1)

2TiO2 + B4C + 3C >- 2T1B2 + 4CO (2)2TiO2 + B4C + 3C> - 2T1B2 + 4CO (2)

TiC + B2O3 + 2C 5* T1B2 + 3CO (3)TiC + B2O3 + 2C 5 * T1B2 + 3CO (3)

/ID/ ID

Die titan- bzw. borhaltigen Reaktionskomponenten werden in jeder der Gleichungen In stöchiometrischem Verhältnis innig miteinander vermischt. Der feinpulvrige Kohlenstoff dagegen wird in überstöchiometrischem Verhältnis dazugegeben, vorzugsweise 5 bis 20 Gew.-% darüber. In allen drei chemischen Reaktionen liegt das Schwergewicht auf der rechten Seite, d.h. es findet praktisch keine Rückreaktion statt.The titanium or boron-containing reaction components are in each of the equations in a stoichiometric relationship intimately mixed together. The finely powdered carbon, on the other hand, is added in a superstoichiometric ratio, preferably 5 to 20% by weight above. In all three chemical reactions, the emphasis is on the right-hand side, i.e. there is practically no reverse reaction.

In bezug auf die Wirtschaftlichkeit ist die Reaktion (1) am günstigsten, die Ausgangssubstanzen Titanoxid und Boroxid werden direkt reduziert. Der Einsatz von Borkarbid (2) anstelle von Boroxid führt zu einer Kostensteigerung, welche beim Einsatz von Titankarbid (3) noch ausgeprägter ist.In terms of economy, the reaction (1) is am cheapest, the starting substances titanium oxide and boron oxide are reduced directly. The use of boron carbide (2) instead boron oxide leads to an increase in costs, which is even more pronounced when using titanium carbide (3).

Das zweistufige Verfahren zur Herstellung eines Titandiborid/Kohlenstcff-Eutektikums ist jedoch bei allen drei oben aufgeführten ersten Verfahrensstufen wesentlich wirtschaftlicher, als wenn handelsübliches Titandiborid mit Kohlenstoff vermischt und damit in an sich bekannter Weise ein entsprechendes Eutektikum hergestellt wird.The two-step process for making a titanium diboride / carbon eutectic is, however, much more economical in all three of the first process stages listed above, than when commercial titanium diboride is mixed with carbon and thus in a manner known per se corresponding eutectic is produced.

Bei der Herstellung von beschichteten Kathoden wird ein bei Elektrolysetemperatur von 900 - 1000eC mechanisch stabiles, und elektrisch gut leitendes Material als Substrat verwendet, z.B. Graphit der Typen AXF und ACF der U.S.-Firma "Poco Graphite" oder leicht graphitisierte Kohle.. Es wird eine zweckmässig 0,5 - 5 mm dicke Schicht aus den innig gemischten Ausgangsstoffen auf mindestens eine Substratfläche aufgetragen. Mechanically stable 1000 E C, and good electrically conductive material used as the substrate, for example, graphite of types AXF and ACF of the US company "Poco Graphite" or easily graphitized carbon .. It - in the manufacture of coated cathodes in electrolysis temperature of 900 is an expediently 0.5-5 mm thick layer of the intimately mixed starting materials is applied to at least one substrate surface.

:·:· :-:"i' 3400952: ·: · : - : "i '3400952

Dabei können diese gemischten Ausgangsstoffe trocken oder als Schlicker aufgebracht werden. Bei der ersten Reaktionsstufe, der Bildung des porösen und von Kanälen durchzogenen Titandiborids, findet keine Verankerung der Schicht auf dem Kohlenstoffsubstrat statt. Bei der zweiten Reaktionsstufe jedoch, der Bildung des Titandiborid/Kohlenstoff-Eutektikums bildet sich eine flüssige Grenzschicht, nach dem Abkühlen tritt eine Verankerung zwischen dem Substrat und dem nunmehr kompakten Titandiborid/Kohlenstoff-Eutektikum ein.These mixed starting materials can be dry or can be applied as a slip. During the first stage of the reaction, the formation of the porous and permeated by channels Titanium diboride, there is no anchoring of the layer on the carbon substrate. In the second stage of the reaction however, the formation of the titanium diboride / carbon eutectic a liquid boundary layer forms, after cooling an anchoring occurs between the substrate and the now a compact titanium diboride / carbon eutectic.

Bei der Beschichtung eines KohlenstoffSubstrats mit der Mischung der Ausgangsstoffe Titanoxid, Boroxid und Kohlenstoff wird zweckmässig weniger Kohlenstoff zugegeben als im Falle des Formkörpers, weil bei der zweiten Reaktionsstufe, der Eutektikumsbildung, dem Substrat je nach Reaktionstemperatur und Reaktionszeit mehr oder weniger Kohlenstoff entzogen wird.When coating a carbon substrate with the mixture of the starting materials titanium oxide, boron oxide and carbon, less carbon is expediently added than in Case of the shaped body, because in the second reaction stage, the eutectic formation, the substrate depending on the reaction temperature and reaction time, more or less carbon is removed.

Während der Eutektikumsbildung wird die Dicke der Beschichtung auf etwa die Hälfte reduziert, Poren und Kanäle werden weitgehend eliminiert: Es entsteht eine kompakte Schicht, die vom flüssigen Aluminium gut benetzbar ist. Obwohl diese Schicht mit bis zu 3 mm Dicke recht massiv sein kann, muss sie als äusserst kostengünstig betrachtet werden.
25
During the formation of the eutectic, the thickness of the coating is reduced to about half, pores and channels are largely eliminated: A compact layer is created that can be easily wetted by the liquid aluminum. Although this layer can be quite massive with a thickness of up to 3 mm, it must be regarded as extremely inexpensive.
25th

Falls aus den innig gemischten Ausgangsstoffen gemäss den obenstehenden Reaktionsgleichungen (1) bis (3) Formkörper hergestellt werden sollen, wird das Pulvergemisch in einem Lichtbogen-, Induktions- oder Widerstandsqfen vorerst in der ersten Verfahrensstufe zur Reaktion gebracht und dann in der zweiten Reaktionsstufe erschmolzen. Die Reaktions-If from the intimately mixed starting materials according to Above reaction equations (1) to (3) moldings are to be produced, the powder mixture is in one Arc, induction or resistance for the time being in the first stage of the process reacted and then melted in the second reaction stage. The reaction

masse kann man vorzugsweise langsam erstarren lassen und dann mit entsprechenden Trennmitteln die gewünschte Kathodenform herstellen. Der Lichtbogen- bzw. Induktionsofen kann jedoch auch kipp- oder abstechbar sein, dann werden nach der Eutektikumsbildung Formkörper gegossen, welche bevorzugt langsam'abgekühlt werden. Diese Formkörper sind wesentlich kostengünstiger herzustellen als bei der Anwendung der direkten Eutektikumsbildung aus Titandiborid, z.B. als Granulat mit 0,1 - 3 mm Korngrösse, und Kohlenstoff.mass can preferably be allowed to solidify slowly and then produce the desired cathode shape with the appropriate release agents. The arc or induction furnace however, it can also be tiltable or partable, then shaped bodies are cast after the eutectic formation, which is preferred slowly 'cooled down. These moldings are essential cheaper to manufacture than when using direct eutectic formation from titanium diboride, e.g. as Granules with a grain size of 0.1 - 3 mm and carbon.

Versuchsreihen haben gezeigt, dass sowohl beschichtete als auch massive Kathoden mit dem Titandiborid/Kohlenstoff-Eutektikum von Aluminium benetzt werden und dass sich diese zu dessen Herstellung mittels Schmelzflusselektrolyse eignen. Aufgrund des Vorhandenseins von rund 8 Gew.-% freiem Kohlenstoff in der Kathode bzw. der Arbeitsfläche der Kathode hat der Fachmann diesen Effekt mit Ueberraschung festgestellt.Tests have shown that both coated and solid cathodes with the titanium diboride / carbon eutectic are wetted by aluminum and that these are suitable for its production by means of fused-salt electrolysis. Due to the presence of around 8% by weight free carbon in the cathode or the working surface of the cathode the person skilled in the art found this effect with surprise.

Claims (10)

-XT--XT- PATENTANSPRÜECHEPATENT CLAIMS . / Verfahren zur Herstellung von Festkörperkathoden für eine Schmelzflusselektrolysezelle zur Gewinnung von Aluminium, wobei mindestens die Arbeitsflächen durch das abgeschiedene Metall benetzbar sind,
5
. / Process for the production of solid-state cathodes for a fused-salt electrolysis cell for the production of aluminum, whereby at least the working surfaces can be wetted by the deposited metal,
5
dadurch gekennzeichnet, dasscharacterized in that titan- und borhaltige, pulverförmige Ausgangsstoffe mit pulverförmigem Kohlenstoff innig gemischt werden, wobei die Summe aus diesem und dem allenfalls einem Substrat entzogenen Kohlenstoff in bezug auf das aus den titan- und borhaltigen Ausgangsstoffen zu bildende Titandiborid überstöchiometrisch ist, die Mischung unter neutraler oder reduzierender Atmosphäre auf eine zwischen 1600 und 2200eC liegende Temperatur erhitzt und während 5-45 min auf dieser Temperatur belassen werden, dann das von Poren und Kanälen durchsetzte Reaktionsprodukt auf 2250 - 2600eC erhitzt und während 10 - 60 min zur Bildung eines kompakten Titandiborid/Kohlenstoff-Eutektikums auf dieser Temperatur belassen und abschliessend auf Raumtemperatur abgekühlt wird.Titanium and boron-containing, powdered starting materials are intimately mixed with powdered carbon, the sum of this and the carbon removed from a substrate, if any, with respect to the titanium diboride to be formed from the titanium and boron-containing starting materials, the mixture under a neutral or reducing atmosphere heated to a temperature between 1600 and 2200 e C and left at this temperature for 5-45 min, then the reaction product permeated by pores and channels is heated to 2250 - 2600 e C and for 10 - 60 min to form a compact titanium diboride / Leave the carbon eutectic at this temperature and then cool it to room temperature.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Verfahrensschritt bei 2000 - 22000C durchgeführt wird.2. The method according to claim 1, characterized in that the first method step at 2000-2200 0 C is carried out. 3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, cjadurctv gekennzeichnet, dass beide Verfahrensschritte ohne dazwischenliegendes Abkühlen im gleichen Lichtbogen-, Induktionsoder Widerstandsofen durchgeführt werden. 3. The method according to claim 1 or 2, cjadurctv characterized, that both procedural steps without an intervening Cooling can be carried out in the same arc, induction or resistance furnace. - YT- - YT- 4. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1-3, dadurch gekennzeichnet, dass als feinpulvrige Ausgangsstoffe T1O2 und B2O3 in stochiometrischem Verhältnis sowie C in oder bis zu 20 Gew-% über diesem stöchiometrischen Verhältnis liegender Menge eingesetzt werden.4. The method according to at least one of claims 1-3, characterized in that the finely powdered starting materials T1O2 and B2O3 in a stoichiometric ratio and also C can be used in an amount in excess of this stoichiometric ratio by up to 20% by weight. 5. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1-3, dadurch gekennzeichnet, dass als feinpulvrige Ausgangisstoffe T1O2 und B4C in stochiometrischem Verhältnis sowie C in oder bis zu 20 Gew.% über diesem stochiometrischem Verhältnis liegender Menge eingesetzt werden.5. The method according to at least one of claims 1-3, characterized in that the finely powdered starting materials T1O2 and B4C in stoichiometric ratio as well C can be used in or up to 20% by weight above this stoichiometric ratio. 6. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1-3, dadurch gekennzeichnet, dass als feinpulvrige Ausgangsstoffe TiC und B2O3 im stöchiometrischen Verhältnis sowie C in oder bis zu 20 Gew.-% über diesem stöchiometrischen Verhältnis liegender Menge eingesetzt werden.6. The method according to at least one of claims 1-3, characterized in that as finely powdered starting materials TiC and B2O3 in the stoichiometric ratio and C in or up to 20% by weight above this stoichiometric ratio Ratio lying amount can be used. 7. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1-6, dadurch gekennzeichnet, dass die innig gemischten Ausgangsstoffe als 0,5 - 5 mm dicke, trockene Schicht auf ein Kohlenstoffsubstat gegeben werden.7. The method according to at least one of claims 1-6, characterized in that the intimately mixed raw materials are applied as a 0.5-5 mm thick, dry layer a carbon substrate can be given. 8. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 - 6, dadurch gekennzeichnet, dass die innig gemischten Ausgangsstoffe als 0,5 - 5 ram dicke Schlickerschicht auf ein KohlenstoffSubstrat gegeben werden.8. The method according to at least one of claims 1-6, characterized in that the intimately mixed starting materials as a 0.5 - 5 ram thick layer of slip on a carbon substrate. 9. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 - 6, dadurch gekennzeichnet, dass die innig gemischten Ausgangsstoffe in einem Abstich- oder Kippofen zur Reaktion gebracht, geschmolzen und dann als Formkörper gegossen oder als Gussblock erstarren gelassen werden.9. The method according to at least one of claims 1 - 6, characterized in that the intimately mixed starting materials are placed in a tapping or tilting furnace for reaction brought, melted and then cast as a shaped body or allowed to solidify as a cast block. 10. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1-9, dadurch gekennzeichnet, dass das gebildete Eutektikum langsam abgekühlt wird.10. The method according to at least one of claims 1-9, characterized in that the eutectic formed is slowly cooled.
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Families Citing this family (45)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4610726A (en) * 1984-06-29 1986-09-09 Eltech Systems Corporation Dense cermets containing fine grained ceramics and their manufacture
EP0177092A3 (en) * 1984-09-24 1986-12-30 Cabot Corporation Reaction-bonded shapes of titanium diboride
US4673550A (en) * 1984-10-23 1987-06-16 Serge Dallaire TiB2 -based materials and process of producing the same
US5017217A (en) * 1986-02-03 1991-05-21 Eltech Systems Corporation Ceramic/metal or ceramic/ceramic composite article
US4961902A (en) * 1986-02-03 1990-10-09 Eltech Systems Corporation Method of manufacturing a ceramic/metal or ceramic/ceramic composite article
US4777014A (en) * 1986-03-07 1988-10-11 Lanxide Technology Company, Lp Process for preparing self-supporting bodies and products made thereby
US4755221A (en) * 1986-03-24 1988-07-05 Gte Products Corporation Aluminum based composite powders and process for producing same
US5296417A (en) * 1987-07-15 1994-03-22 Lanxide Technology Company, Lp Self-supporting bodies
US4885130A (en) * 1987-07-15 1989-12-05 Lanxide Technology Company, Lp Process for preparing self-supporting bodies and products produced thereby
US5180697A (en) * 1987-07-15 1993-01-19 Lanxide Technology Company, Lp Process for preparing self-supporting bodies and products produced thereby
US5017334A (en) * 1987-07-15 1991-05-21 Lanxide Technology Company, Lp Process for preparing self-supporting bodies and products produced thereby
US5081077A (en) * 1987-10-29 1992-01-14 Kabushiki Kaisha Toyota Chuo Kenkyusho Process for producing sintered body of metal boride and raw material composition therefor
US4915736A (en) * 1987-12-23 1990-04-10 Lanxide Technology Company, Lp Method of modifying ceramic composite bodies by carburization process and articles produced thereby
US5045269A (en) * 1988-11-17 1991-09-03 Union Carbide Coatings Service Technology Corporation Method for sintered shapes with controlled grain size
US4904446A (en) * 1989-01-13 1990-02-27 Lanxide Technology Company, Lp Process for preparing self-supporting bodies and products made thereby
IL92396A0 (en) * 1989-01-13 1990-07-26 Lanxide Technology Co Ltd Method of producing ceramic composite bodies
US5187128A (en) * 1989-01-13 1993-02-16 Lanxide Technology Company, Lp Process for preparing self-supporting bodies
US5149678A (en) * 1989-01-13 1992-09-22 Lanxide Technology Company, Lp Method of modifying ceramic composite bodies by a post-treatment process and articles produced thereby
US5372178A (en) * 1989-01-13 1994-12-13 Lanxide Technology Company, Lp Method of producing ceramic composite bodies
US5238883A (en) * 1989-01-13 1993-08-24 Lanxide Technology Company, Lp Process for preparing self-supporting bodies and products produced thereby
US4885131A (en) * 1989-01-13 1989-12-05 Lanxide Technology Company, Lp Process for preparing self-supporting bodies and products produced thereby
US5010044A (en) * 1989-01-13 1991-04-23 Lanxide Technology Company, Lp. Process for preparing self-supporting bodies and products produced thereby
US5250324A (en) * 1990-06-25 1993-10-05 Lanxide Technology Company, L.P. Method for forming a surface coating using powdered solid oxidants and parent metals
US5112654A (en) * 1990-06-25 1992-05-12 Lanxide Technology Company, Lp Method for forming a surface coating
AU8717491A (en) * 1990-07-12 1992-02-04 Lanxide Technology Company, Lp Joining methods for ceramic composite bodies
US5264401A (en) * 1990-07-12 1993-11-23 Lanxide Technology Company, Lp Pressure assisted technique for forming self-supporting composite bodies and articles formed thereby
US5232040A (en) * 1990-07-12 1993-08-03 Lanxide Technology Company, Lp Method for reducing metal content of self-supporting composite bodies and articles formed thereby
JPH06502379A (en) * 1990-07-12 1994-03-17 ランキサイド テクノロジー カンパニー,リミティド パートナーシップ Joining method for ceramic composites
US5203488A (en) * 1990-07-12 1993-04-20 Lanxide Technology Company, Lp Method for joining ceramic composite bodies and articles formed thereby
US5120684A (en) * 1990-07-12 1992-06-09 Lanxide Technology Company, Lp Pressure assisted technique for forming self-supporting composite bodies and articles formed thereby
US5166105A (en) * 1990-12-10 1992-11-24 Lanxide Technology Company, Lp Process for preparing self-supporting ceramic composite bodies and bodies produced thereby
US5439744A (en) * 1991-06-25 1995-08-08 Lanxide Technology Company, Lp Composite bodies and methods for making same
US5500182A (en) * 1991-07-12 1996-03-19 Lanxide Technology Company, Lp Ceramic composite bodies with increased metal content
US5435966A (en) * 1991-07-12 1995-07-25 Lanxide Technology Company, Lp Reduced metal content ceramic composite bodies
JP4187347B2 (en) * 1998-04-02 2008-11-26 三星エスディアイ株式会社 Method for producing negative electrode active material for lithium ion battery
US5887240A (en) * 1998-05-11 1999-03-23 General Motors Corporation Method of manufacturing a platinum electrode
US6719889B2 (en) 2002-04-22 2004-04-13 Northwest Aluminum Technologies Cathode for aluminum producing electrolytic cell
US6863788B2 (en) * 2002-07-29 2005-03-08 Alcoa Inc. Interlocking wettable ceramic tiles
US7462271B2 (en) * 2003-11-26 2008-12-09 Alcan International Limited Stabilizers for titanium diboride-containing cathode structures
US7588179B2 (en) * 2007-03-30 2009-09-15 Honeywell International Inc. Bonding of carbon fibers to metal inserts for use in composites
EP2459775B1 (en) * 2009-07-28 2018-09-05 Alcoa USA Corp. Composition for making wettable cathode in aluminum smelting
JP5554117B2 (en) * 2010-03-30 2014-07-23 日本電極株式会社 Cathode carbon block for aluminum refining and method for producing the same
DE102011111331A1 (en) 2011-08-23 2013-02-28 Esk Ceramics Gmbh & Co. Kg Titanium diboride granules as erosion protection for cathodes
US10777806B2 (en) 2018-03-29 2020-09-15 Baker Hughes, A Ge Company, Llc Energy storage devices including at least one electrode comprising a metal diboride, and related methods
EP4139502B1 (en) 2020-04-24 2024-03-13 Norsk Hydro ASA Cathode assembly for a hall-heroult cell for aluminium production

Family Cites Families (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US3661736A (en) * 1969-05-07 1972-05-09 Olin Mathieson Refractory hard metal composite cathode aluminum reduction cell
US4093524A (en) * 1976-12-10 1978-06-06 Kaiser Aluminum & Chemical Corporation Bonding of refractory hard metal
US4308114A (en) * 1980-07-21 1981-12-29 Aluminum Company Of America Electrolytic production of aluminum using a composite cathode
US4376029A (en) * 1980-09-11 1983-03-08 Great Lakes Carbon Corporation Titanium diboride-graphite composits
CH645675A5 (en) * 1980-11-26 1984-10-15 Alusuisse CATHOD FOR A MELTFLOW ELECTROLYSIS CELL FOR PRODUCING ALUMINUM.
US4439382A (en) * 1981-07-27 1984-03-27 Great Lakes Carbon Corporation Titanium diboride-graphite composites
BR8207804A (en) * 1981-07-27 1983-07-19 Great Lakes Carbon Corp TIB2-GRAPHITE COMPOSITE

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
WO-82/01018 *

Also Published As

Publication number Publication date
FR2540890A1 (en) 1984-08-17
IT8419514A0 (en) 1984-02-09
IS2873A7 (en) 1984-04-13
DE3400932C2 (en) 1987-04-02
JPS59162289A (en) 1984-09-13
US4492670A (en) 1985-01-08
IT1175929B (en) 1987-08-12
AU2357384A (en) 1984-08-16
US4544524A (en) 1985-10-01
CH654031A5 (en) 1986-01-31
NO840465L (en) 1984-08-13

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